Influence de la morphologie tridimensionnelle des phases sur le comportement mécanique de réfractaires électrofondus

par Kamel Madi

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Samuel Forest et de Michel Boussuge.

Soutenue en 2006

à Paris, ENMP .

  • Titre traduit

    Influence of the 3D morphology of the phases on the mechanical behavior of fused-cast refractories


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  • Résumé

    Le verre est un matériau qui connaît un réel essor. La demande accrue de nouvelles formulations pour atteindre des hauts niveaux de qualité (verre pour écrans plasma et LCD) impose des défis toujours plus grands pour la conception et l’optimisation des fours verriers. Les réfractaires électrofondus sont les candidats idéaux pour répondre à ces exigences. Leur procédé d’élaboration (électrofusion), proche de la fonderie des métaux, leur confère une microstructure tout à fait originale, très différente des microstructures obtenues par les procédés plus classiques de l’industrie céramique. L’objectif de l’étude est d’étudier les relations entre les propriétés mécaniques macroscopiques des réfractaires électrofondus, responsables de leurs propriétés d’usage, et leur structure microscopique, telle qu’elle résulte de leur procédé d’élaboration. La méthodologie utilisée dans ce travail est basée sur une approche numérique micro-macro. Nous appliquons la méthode des éléments finis à la morphologie réelle des matériaux, caractérisée par la technique de microtomographie à rayons X, à l’ESRF, au synchrotron de Grenoble. L’exploitation de ces images permet, dans un premier temps, de mettre en évidence que les phases en présence (zircone, phase vitreuse) sont spatialement interconnectées. Si, sur une simple coupe 2D, l'allure de la microstructure s'apparente à celle d’un fritté, la réalité est beaucoup plus complexe. La forte imbrication des dendrites (« interlocking ») assure l’existence d’un squelette continu de zircone. Dans un second temps, nous avons quantifié les rôles joués par les constituants à partir d'observations, par microtomographie X, d'échantillons prélevés dans des éprouvettes déformées en fluage à haute température. Le fluage semble être totalement contrôlé par la zircone, la phase vitreuse n’ayant aucun rôle structurant. Parallèlement, des calculs par éléments finis tridimensionnels, réalisées à partir de volumes élémentaires de la microstructure réelle, permettent de modéliser une partie des phénomènes impliqués lors du refroidissement : fluage à haute température, microfissuration à basse température. La loi de fluage du squelette de zircone a été identifiée par méthode inverse à 1400°C, à partir de sa morphologie réelle 3D. Les réponses en fluage et les contraintes locales obtenues sont similaires pour les réalisations étudiées et en accord avec l’expérience. Après avoir validé notre modèle en fluage, tout l’intérêt a été de pouvoir l’appliquer à la simulation d’un refroidissement de 800°C à l’ambiante (calcul thermo-elasto-viscoplastique). Les maillages des volumes étudiés contiennent un grand nombre de degré de liberté. Nous avons donc eu recours au calcul parallèle sur un cluster de 12 bi-processeur conduisant à des temps de calcul de 36 heures environ. Les prédictions obtenues permettent d’évaluer les niveaux de contraintes générés dans le matériau du fait du différentiel de dilatation entre les deux phases. Les risques d’endommagement par microfissuration de la phase vitreuse sont étudiés au travers d’un modèle d’endommagement non couplé, en utilisant un critère de type fragile, formulé en contrainte principale positive maximale.

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  • Détails : 1 vol. ( 294 p.)
  • Annexes : Bibliogr. 140 réf.

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